فصل ۶: محدوده و طول عمر متغیرها در C++

محمد
اموزش ++C

🎯 هدف یادگیری

در پایان این فصل شما می‌توانید:

تفاوت محدوده (Scope) و طول عمر (Lifetime) متغیرها را درک کنید.
انواع محدوده (محلی، بلوکی، سراسری) را بشناسید.
رفتار Shadowing (پوشاندن متغیر) را تشخیص دهید و از مشکلاتش جلوگیری کنید.
تفاوت متغیرهای static، global و local را بفهمید.
نحوه صحیح استفاده از متغیرها بر اساس محدوده و طول عمرشان را یاد بگیرید.

۱. مقدمه

هر متغیری که در C++ تعریف می‌کنیم یک دامنه معتبر (Scope) و یک مدت زمان زنده بودن (Lifetime) دارد.

Scope = کجا قابل دسترسی است.
Lifetime = کی ساخته می‌شود و کی از بین می‌رود.

بی‌توجهی به این مفاهیم می‌تواند باعث ایجاد باگ‌های بسیار سخت شود.

۲. انواع محدوده متغیرها (Scope)

۲.۱ محدوده بلوکی (Block Scope)

متغیری که داخل {} تعریف می‌شود فقط همانجا معتبر است.
بعد از خروج از بلاک، متغیر حذف می‌شود.

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x = 10;
    {
        int y = 5;
        cout << "x = " << x << ", y = " << y << endl;
    }
    // cout << y; // ❌ خطا: y خارج از دسترس است.
}

۲.۲ محدوده تابعی (Local Scope)

متغیر داخل یک تابع فقط همان تابع می‌تواند بخواند/تغییر دهد.
با هر بار فراخوانی تابع، متغیر محلی دوباره ساخته و مقداردهی می‌شود.

void test() {
    int a = 0;
    a++;
    cout << a << endl;
}

int main() {
    test(); // خروجی: 1
    test(); // خروجی: 1 (هر بار a از صفر شروع می‌کند)
}

۲.۳ محدوده سراسری (Global Scope)

متغیر خارج از همه توابع تعریف شود و همه جای فایل قابل دسترسی باشد (بعد از محل تعریف).
اگر در چند فایل استفاده شود باید extern استفاده شود.

#include <iostream>
using namespace std;

int counter = 0; // متغیر سراسری

void inc() {
    counter++;
}

int main() {
    inc();
    inc();
    cout << counter; // خروجی: 2
}

⚠ استفاده بیش از حد از متغیرهای global می‌تواند باعث وابستگی زیاد و سختی در عیب‌یابی شود.

۳. Shadowing (پوشاندن متغیر)

اگر یک متغیر محلی هم‌نام متغیر سراسری یا متغیر بیرونی باشد، متغیر محلی متغیر بیرونی را مخفی می‌کند.

int x = 100; // global

int main() {
    int x = 50; // local → global x پنهان شد
    cout << x << endl; // 50
    cout << ::x << endl; // دسترسی به global: 100
}

📌 عملگر :: = Scope Resolution Operator کمک می‌کند به متغیر global دسترسی پیدا کنیم.

۴. طول عمر (Lifetime) متغیرها

۴.۱ Auto (پیش‌فرض)

هر متغیر محلی بدون static → با ورود به بلوک ساخته می‌شود، با خروج حذف می‌شود.

۴.2 Static Local

موقع اولین اجرای تابع مقداردهی اولیه می‌شود و تا پایان اجرای برنامه در حافظه باقی می‌ماند.
مقدارش حفظ می‌شود.

void counterFunc() {
    static int cnt = 0;
    cnt++;
    cout << cnt << endl;
}

int main() {
    counterFunc(); // 1
    counterFunc(); // 2
    counterFunc(); // 3
}

۴.۳ Global / Static Global

متغیر global: در کل برنامه زنده است.
متغیر static global: فقط در همان فایل دیده می‌شود، ولی تمام برنامه زنده می‌ماند.

۵. مثال عملی ترکیب Scope و Lifetime

#include <iostream>
using namespace std;

int g = 0; // global

void test() {
    int localVar = 0; // auto local
    static int staticVar = 0; // static local
    g++;
    localVar++;
    staticVar++;
    cout << "g=" << g << ", localVar=" << localVar
         << ", staticVar=" << staticVar << endl;
}

int main() {
    test();
    test();
    test();
}

خروجی:

g=1, localVar=1, staticVar=1
g=2, localVar=1, staticVar=2
g=3, localVar=1, staticVar=3

📌 دلیل:

g → global → مقدارش بین اجراها حفظ می‌شود.
localVar → auto local → هر بار تازه ساخته می‌شود.
staticVar → static local → فقط یک بار ساخته می‌شود و مقدارش حفظ می‌گردد.

۶. Scope Nesting (محدوده‌های تو در تو)

محدوده‌ها می‌توانند داخل هم باشند.
در محدوده داخلی، به متغیرهای محدوده خارجی (اگر همنام نباشند) دسترسی داریم.

int main() {
    int a = 5;
    {
        int b = 10;
        cout << a << ", " << b << endl; // a و b هر دو
    }
    // cout << b; // ❌ خطا
}

۷. نکات کلیدی

متغیرهای محلی توصیه می‌شوند چون باعث کاهش اثرات جانبی می‌شوند.
متغیرهای global فقط وقتی واقعاً لازم است استفاده شوند.
از نامگذاری دقیق برای جلوگیری از Shadowing.
از static برای حفظ وضعیت بین فراخوانی‌ها بدون استفاده از global.
متغیرهای const با هر Scope رفتار خاص خود را دارند (برای مقدار ثابت).

۸. اشتباهات رایج

❌ استفاده بیش از حد از global → وابستگی زیاد، باگ‌های پنهان.
❌ تعریف دوباره متغیر با نام مشابه → Shadowing ناخواسته.
❌ فراموش کردن این که static متغیر را یک بار مقداردهی می‌کند.
❌ اشتباه گرفتن Scope با Lifetime.

۹. تمرین‌ها

تمرین ۱

برنامه‌ای بنویسید که متغیر global و یک متغیر local هم‌نام داشته باشد و تفاوت دسترسی به آن‌ها را نشان دهد.

تمرین ۲

یک تابع بنویسید که هر بار فراخوانی شد تعداد دفعات اجرا را با استفاده از static ذخیره کند.

تمرین ۳

با استفاده از بلوک‌های تو در تو بررسی کنید که کدام متغیرها در کجا قابل دسترسی هستند.

تمرین ۴ (چالش)

یک برنامه منوی ساده بسازید که از یک متغیر static برای ذخیره تعداد دفعات انتخاب گزینه استفاده کند.

۱۰. جمع‌بندی این فصل

Scope = بازه مکانی دسترسی متغیر.
Lifetime = بازه زمانی وجود متغیر در حافظه.
انواع Scope: local (بلوک/تابع)، global.
انواع Lifetime: auto (پیش‌فرض)، static local، global/static global.
استفاده صحیح از متغیرها بر اساس این مفاهیم به کاهش باگ و بهینه‌سازی کمک می‌کند.

محمد وب‌سایت